本文主要研究如下含多个奇性项和临界指数增长的非线性次椭圆型方程的非平凡解在奇点处的渐近性质
其中$ \Omega $是$ \mathbb {R}^N: = \mathbb {R}^m\times \mathbb {R}^n $中的开集, $ k\geq 2 $, $ a_{i}\in \Omega $ ($ i = 1, 2, \cdots, k $)且互不相同, $ 0\leq \mu<\mu_{G}: = (\frac{Q-2}{2})^{2} $, 这里$ (\frac{Q-2}{2})^{2} $是最佳Hardy常数; $ \alpha>0 $, $ \Delta _x + |x|^{2\alpha }\Delta _y $是Grushin型算子, $ Q = m+(\alpha+1)n $是空间$ \mathbb {R}^m\times \mathbb {R}^n $的齐次维数.对任意的$ z = (x, y) $, $ a_{i} = (a_{i}^{1}, a_{i}^{2})\in \Omega\subset \mathbb{R}^{m}\times\mathbb{R}^{n} $, $ \psi_{i} = |\nabla_{\alpha}d(z, a_{i})| = (\frac{|x-a_{i}^{1}|}{d(z, a_{i})})^{\alpha} $, 其中$ d(z, a_{i}) $表示在Grushin向量场意义下点$ z $与点$ a_{i} $之间的距离, 其定义如下:
此外, 非线性项$ f: \Omega \times \mathbb {R}\to\mathbb {R} $是Carathéodory函数, 且满足
其中$ C>0 $是常数, $ 2^* = \frac{2Q}{Q-2} $是临界Sobolev指数.
记
则Grushin梯度为$ \nabla _\alpha = (X_1, \ldots , X_N) $, 由此Grushin型算子可表示为
显然:当$ x\neq 0 $时, 该算子是椭圆型的, 并且在流形$ \{0\}\times \mathbb {R}^n $上是退化的; 当$ \alpha $是非负整数时, Grushin算子是Hörmander型的.其它相关知识可以参见[1-5]等.
对任意的$ \Omega \subset \mathbb {R}^N $, 范数$ \| u\|_{D^{1, 2}_{\alpha}} = (\int _{\Omega } |\nabla _\alpha u|^2 dz)^{\frac{1}{2}} $下的$ C^\infty _0(\Omega ) $完备化空间记为$ D_{\alpha}^{1, 2}(\Omega) $.对$ \forall u\in D_{\alpha}^{1, 2}(\Omega) $, 设方程(1.1)的能量泛函为
其中$ F(z, t) = \int_{0}^{t}f(z, \eta)d\eta $.若$ u\in D_{\alpha}^{1, 2}(\Omega) $是方程(1.1)的解, 则对任意$ v\in C^{\infty}_{0}(\Omega) $有
为了应用变分方法处理(1.1), 我们需要如下的Hardy不等式:
其中$ \mu_{G } = ( \frac{Q-2}{2} )^2 $是Grushin向量场下Hardy型不等式的最佳常数, $ a\in\Omega $.
在文[6]中作者研究了如下含多个奇性项的退化次椭圆问题:
其中$ \Omega $是Carnot群上的开集, $ -\Delta_{G} $是Carnot群上的Laplace算子, $ k\geq 2 $, 实数$ a_{i}\in \Omega $ ($ i = 1, 2, \cdots, k $)互不相同, $ \mu_{i}\geq 0 $且满足$ \sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i}<\mu_{C} = (\frac{C-2}{2})^{2} $, $ C $是Carnot群的齐次维数.方程(1.8)与如下Carnot群上的Hardy型不等式有关:
类似于Carnot群上的证明方法, 可以建立Grushin向量场下的多奇性项Hardy型不等式:
结合(1.7), (1.10)式, 可以得到如下的广义Hardy型不等式:
其中$ \mu^{*}_{G} $是广义Hardy型不等式的最佳常数.不等式(1.11)的证明将在第二节中给出.
假设$ k\geq 2 $, 对任意的$ i = 1, 2, \cdots, k $, 定义
利用Moser迭代技巧, 本文讨论了方程(1.1)的非平凡解在奇点处的渐近性质.结论如下.
定理1.1 设$ \Omega $是$ \mathbb {R}^m\times\mathbb {R}^n $中的开集, $ a_{j}\in \Omega $ $ (j = 1, 2, \cdots, k) $且互不相等. $ 0<\mu<\mu^{*}_{G} $, $ \sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i}<(\frac{Q-2}{2})^{2} $.若$ u\in D_{\alpha }^{1, 2}(\Omega ) $是方程(1.1)的非平凡弱解, 则
(i) 存在常数$ C $, $ \rho_{i}>0 $使得
其中$ B_{d}(a_{i}, \rho_{i}) $表示在距离$ d $的意义下以$ a_{i} $为圆心, 以$ \rho_{i} $为半径的球, 且$ a_{j}\not\in B_{d}(a_{i}, \rho_{i}) $, $ i, j = 1, 2, \cdots , k $, $ i\neq j $.
(ii) 存在常数$ C>0 $使得
在欧式空间中, 关于Laplace算子问题的相关结论可参考[7].利用Moser迭代和分析技巧, 我们在第二节给出定理1.1的证明.对于退化的Grushin型算子和Carnot群上的次椭圆算子而言, 该结论依然是新的.
首先给出广义Hardy型不等式(1.11)的证明.
不等式(1.11)的证明 令$ \rho = \min\{\frac{1}{2}d(a_{i}, a_{l}), d(a_{i}, \partial\Omega)\} $, $ i, \, l = 1, 2, \cdots, k $, $ i\neq l $.则$ B_{d}(a_{i}, \rho)\cap B_{d}(a_{l}, \rho) = \emptyset $, 其中$ B_{d}(a, \rho) = \{x:x\in \Omega, d(x, a)<\rho\} $.由不等式(1.7)和$ \psi_{i}<1 $ ($ i = 1, 2, \cdots, k $)可得
因此, 不等式(1.11)得证.上述结论表明广义Hardy型不等式的最佳常数可如下定义:
为了估计方程(1.1)的非平凡解在原点处的渐近性质, 我们需要如下的$ L^p $估计.
引理2.2 设$ \Omega \subset \mathbb{R}^m\times \mathbb{R}^{n} $是$ 0 $的有界领域, $ 0\leq \mu <\mu^{*}_{G} $, $ \sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i}<\mu_{G} $.假设$ V\in L^{\frac{Q}{2}}(\Omega ) $, $ g\in L^q(\Omega ) $, $ q\geq 2 $, 常数$ \nu $使得线性算子$ -(\Delta_{x}+|x|^{2\alpha}\Delta_{y}) - \mu \frac{\prod_{i = 1}^{k}\psi_{i}^2}{\prod_{i = 1}^{k}d(z, a_{i})^2}-V +\nu $是正定的.若$ u\in D_{\alpha }^{1, 2}(\Omega ) $是方程
的非平凡解, 则$ u\in L^p(\Omega ) $, $ \forall 1\leq p\leq p_{\text{lim}} = 2^* \min \left\{ \frac{q}{2}, \frac{\frac{Q-2}{2}}{\frac{Q-2}{2}-\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}-\sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i} }}\right\} . $
证明 引理2.2的证明与[1, 命题3.2]或[7, 引理3.1]证明过程类似.此处略.
为了研究方程解在奇点处的渐近性质, 我们将$ \Omega $做如下分解
并且$ a_{i}\in \Omega_{i} $, $ a_{j}\not\in\overline{\Omega}_{i} $ $ (i\neq j) $, $ i = 1, 2, \cdots, k $.
定理1.1的证明 设$ u\in D_{\alpha }^{1, 2}(\Omega ) $是方程(1.1)的解.令
其中$ \beta = \frac{Q-2}{2}-\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}-\mu_{i}} $是方程$ \beta^{2}-\beta(Q-2)+\mu_{i} = 0 $的解.则由Hardy不等式可知$ v\in D_{\alpha}^{1, 2}(\Omega , d(z, a_{i})^{-2\beta}d z) $, 并且
其中
从而将$ u = d(z, a_{i})^{-\beta}v $带入方程(1.1)的左边, 由(2.4), (2.5)式可得
结合$ f(z, u) = f(z, d(z, a_{i})^{-\beta}v) $及(1.1), (2.6)可得
在(2.7)式两边同时乘上$ d(z, a_{i})^{-\beta} $, 可得
取$ \rho_{i}>0 $, 使得$ B_{d}(a_{i}, \rho_{i})\subset\Omega $, 并且$ a_{j}\not\in\overline{B}_{d}(a_{i}, \rho_{i}) $, $ i, \, j = 1, 2, \cdots, k $, $ i\neq j $.令$ \rho\in (0, \rho_{i}) $.定义截断函数$ \eta_{i} \in C_{0}^{\infty}( B_{d}(a_{i}, \rho), [0, 1]) $, 使其对$ \forall z\in B_{d}(a_{i}, r) $有$ \eta(z) = 1 $, $ |\nabla_{\alpha}\eta|\leq \frac{4}{\rho-r} $, 其中$ r\in (0, \rho) $.定义函数
其中$ L $, $ s>1 $在后面给定.将试验函数$ \phi $代入(2.8)式得
将$ \phi $的表达式代入(2.10)式左边, 计算可得
由Young不等式, 对充分小的$ \varepsilon>0 $, 存在$ C_{1}(\varepsilon)>0 $使得
从而
将$ \phi $的表达式代入(2.10)式右边第一项中, 利用函数$ f $满足的条件(1.3)可得
对于上式第一项利用不等式$ t^{q}\leq t^{2}+t^{2^*} $ $ (q\in [2, 2^*)) $可得
从而, 存在$ C_{1} $, $ C_{2}>0 $使得
最后, 将$ \phi $的表达式代入(2.10)式右边第二项中, 利用$ \mu_{i} $的定义, 中值定理, Young不等式和$ \psi_{i}<1 $可得
其中$ C_{3} $, $ C_{2}(\varepsilon) $是正常数.
下面利用如下形式的加权Sobolev不等式[3]对(3.17)的右端项做进一步的处理:
其中$ 0\leq \tau\leq 2 $, $ a> \frac{2-Q}{2} $, $ C(\tau, a, Q)>0 $是常数.从而, 在(2.18)式中取$ \tau = 2 $, $ a = -\beta $, 存在正常数$ C_{4} $使得
因此, 结合(2.17), (2.19)式, (2.10)式右端第二项满足
其中$ C_{5} = C_{3}C_{4} $, $ C_{3}(\varepsilon) = \frac{1}{2}C_{3}C_{2}(\varepsilon) $.
将(2.13), (2.16), (2.20)式代入(2.10), 可得
取$ \varepsilon = \min\{\frac{1}{1+2C_{5}}, \frac{1}{C_{5}(s-1)}\} $, 则存在常数$ C_{6} $, $ C_7>0 $和$ C_5(\varepsilon)>0 $使得
令$ w = \eta v v_{L}^{s-1} $.将$ w $代入(2.18)式, 利用(2.22)式及$ s>1 $可得
选取$ q\in (\frac{Q}{2}\, , \, \frac{Q(Q-2)}{2(Q-2-2\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}- \sum\limits^{k}_{i = 1}\mu_{i} })} ) $, 使其满足$ (2^*-2)q<\frac{2Q}{Q-2-2\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}- \sum\limits^{k}_{i = 1}\mu_{i}}}, 2<\frac{2q}{q-1}<2^*. $类似文[8]的计算方法, 对任意的$ \varepsilon >0 $, 存在常数$ C_{11}>0 $使得
将(2.24)式代入(2.23)式中并取$ \varepsilon = \frac{1}{\sqrt{2C_{10}C_{11}s}} $, 则有
其中$ C_{12} = C_{9}+(C_{10}C_{11})^{\frac{2q}{2q-Q}}>0 $.在(2.25)式中应用$ v_{L} $和$ \eta $的性质可得
取$ s_{0} \in\Big(\frac{Q}{Q-2}, \frac{Q}{Q-2-2\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}-\sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i}}}\Big) $.则计算可得$ \frac{2Q}{Q-2}<2s_{0}< \frac{2Q}{Q-2-2\sqrt{(\frac{Q-2}{2})^{2}-\sum\limits_{i = 1}^{k}\mu_{i}}} $.从而, 由引理2.2知, 对任意的$ u\in D^{1, 2}_{\alpha}(\Omega) $有$ \int_{\Omega}|u|^{2s_{0}}dz<+\infty $.
取序列$ s_j = s_{0}( \frac{2^*}{2})^j>1 $, $ \forall j = 0, 1, 2, \cdots $, 将$ s_{j} $代入(2.26)式, 利用Moser迭代技巧得
因为级数$ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} \frac{1}{2s_k} $, $ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} (\frac{2}{2^*})^{j} $, $ \sum\limits_{k = 0}^{\infty} j(\frac{2}{2^*})^{j} $是收敛的, 所以, 对(2.27)式取极限$ j\to\infty $, 可知:存在不依赖于$ L $的常数$ C>0 $使得$ \| v\| _{L^{\infty }(B_{\rho _0})}\leq C $.因此, 由$ v $的定义可得不等式(1.12)成立, 进而可得(1.13)式亦成立.定理1.1得证.